一种植生混凝土用低碱度胶凝材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及植生混凝土材料技术领域，具体涉及一种植生混凝土用低碱度胶凝材料及其制备方法和应用。

背景技术

植生混凝土，是一种能将工程防护和生态修复很好的结合起来的新型护坡材料，其内部独特的孔隙结构可以使植物根系进入混凝土，保障植物生长空间，进而达到固土护坡、边坡质粒及景观绿化的目的，实现硬化混凝土与绿化植被之间的完美结合，是一种良好的生态护坡技术。

植生混凝土所用的胶结材料一般为硅酸盐水泥或低碱度硫铝酸盐水泥，但由于原料中存在水化反应易产生碱性物质，使得植生混凝土内部呈碱性，这使得草种不论是直接拌合在植生混凝土中还是成型后进行播种都会受到碱侵蚀，导致草种难以发芽生长，从而无法达到山体绿化美化的效果，严重限制了其推广及应用。

因此推广植生混凝土的应用范围，就必须要降低其内部碱性，比如替换胶结材料或者在植生混凝土表面喷酸中和碱等。但这些方法无法从根本上降低植生混凝土内部碱度，如在成型后的植生混凝土表面喷酸只能降低其表面碱度，当草种在内部生根发芽时，还是会受到碱侵蚀；如若加入碱性调节剂（碱中和剂）会影响植生混凝土工作性，使其不凝或难凝，力学性能严重下降。同时为了保证在降低植生混凝土内部碱性的同时其力学性能不下降，往往需要加入其他物质来增强力学性能，这不仅增加了成本，还提高了植生混凝土的制备难度，因此不适用于大规模应用推广。

中国专利文献CN115321925A公开了一种植生混凝土用胶凝材料，该发明提供的植生混凝土用胶凝材料碳排放低，原生pH低，缓冲剂用量少；养护条件简单，节约养护成本；得到的植生混凝土作为矿山或道路边坡修复，种子发芽率高，护坡效果好；且能碳化吸收二氧化碳和周边土壤的重金属离子、氟化物，环境友好。但是该发明得到的植生混凝土7d pH值仍较高，有进一步降低的可能性。

发明内容

本发明的主要目的之一在于提供一种植生混凝土用低碱度胶凝材料，可以降低植生混凝土内部的碱度，同时不改变植生混凝土的性能，使草种免受植生混凝土内部碱侵蚀，来保证草种的成活率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种植生混凝土用低碱度胶凝材料，包括以重量份计的如下组分：硫铝酸盐水泥30-60份、矿物掺合料30-60份、石膏5-30份、消碱剂2-8份、封碱剂2-10份和促凝剂2-10份。

优选的，所述硫铝酸盐水泥比表面积大于400m

优选的，所述矿物掺合料为偏高领土、粒化高铝矿渣、硅灰和粉煤灰中的一种或多种的混合物。

优选的，所述促凝剂为铝酸盐水泥、硫酸铝和硝酸钙中的一种或多种。

优选的，所述封碱剂为苯丙乳液和/或胶粉；进一步优选的，所述封碱剂为苯丙乳液和胶粉的混合物，苯丙乳液和胶粉的质量比为1-3:1。

最优选的，所述封碱剂还包括为2-乙基己酸-3-烷氧-2-羟基丙酯，其制备方法如下：

S1将丙酮、甲醇混合后加入氢氧化钠反应得到3-烷氧-2-丙酮；

S2将2-乙基己酸与3-烷氧-2-丙酮混合后加入盐酸反应得到2-乙基己酸-3-烷氧-2-羟基丙酯。

优选的，所述消碱剂为硫酸亚铁、硼酸、甲酸钙、草酸、三聚磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸二氢钙中的一种或多种的混合物。

本发明还提供了所述植生混凝土用低碱度胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：首先将硫铝酸盐水泥、矿物掺合料及石膏进行混合，然后加入消碱剂、封碱剂及促凝剂共混制成低碱度胶凝材料。

本发明还提供了所述植生混凝土用低碱度胶凝材料在混凝土方面的应用，具体如下：将其作为外掺或替代水泥组分用于混凝土材料中。

在对本方向的技术研究中，发明人发现添加一定比例的苯丙乳液和胶粉混合物对胶凝材料的pH值产生了影响，通过苯丙乳液和胶粉的成膜特性，来防止碱的浸出，从而降低基体碱度。具体研究发现，胶粉会在基体中形成乳液，之后成膜，如此达到封碱的效果。苯丙乳液可以在基体内部直接成膜，达到封碱的效果。但是苯丙乳液和胶粉的协同作用相当微妙，在特定比例下的苯丙乳液和胶粉才能够实现封碱的平衡。这是因为苯丙乳液和胶粉的作用时期存在差异，苯丙乳液可以直接在基体内部直接成膜，主要在前期发挥作用；而乳粉会在基体中先形成乳液，之后成膜，因此乳粉在前期成膜较慢，通过调控苯丙乳液和胶粉的比例，可以实现对基体前期和后期同时封碱的效果。同时，苯丙乳液和胶粉的成膜也会使得基体的韧性提高，提高基体的力学性能。

但是发明人发现该膜会因为长期雨水的冲刷发生脱落，进而导致胶凝材料的封碱性能下降，所以发明人在封碱剂中引入了助剂，该助剂能与苯丙乳液和胶粉发生交联，形成致密的交联化合物，并缓解膜固化收缩时的内应力，能降低其亲水性，并防止由于雨水冲刷导致膜层的脱落。

在本发明中，低碱度胶凝材料可以通过原料配合比实现碱度和凝结时间的调节，有利于实际工程的应用。具体而言，消减剂加入低碱度胶凝材料中会降低低碱度胶凝材料的pH值，但同时也会延长其凝结时间。而硝酸钙是一种可溶性钙盐，加入水化体系后能在短时间内提高液相中的Ca

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1）本发明得到的植生混凝土用低碱度胶凝材料28天抗压强度可达30-40MPa，具有优异的力学性能；

2）本发明得到的胶凝材料的28天时内部碱度不大于9，能够改善植生混凝土内部环境，有利于植物草种的发芽、成活，保证草种的成活率；

3）本发明植生混凝土用低碱度胶凝材料所使用的原材料简单易得，成本低，生产工艺简单，易于推广应用；

4）本发明的封碱剂能在基体内部直接成膜，达到封碱的效果，并能够实现封碱的平衡，可以实现对基体前期和后期同时封碱的效果，通过在封碱剂中加入2-乙基己酸-3-烷氧-2-羟基丙酯，2-乙基己酸-3-烷氧-2-羟基丙酯与苯丙乳液和胶粉发生交联，形成致密的交联化合物，并缓解膜固化收缩时的内应力，能降低其亲水性，并防止由于雨水冲刷导致膜层的脱落。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为实施例1制备胶凝材料制作的植生混凝土播种草种后的发芽生长情况；

图2为实施例2制备胶凝材料制作的植生混凝土播种草种后的发芽生长情况；

图3为实施例3制备胶凝材料制作的植生混凝土播种草种后的发芽生长情况；

图4为实施例4制备胶凝材料制作的植生混凝土播种草种后的发芽生长情况；

图5为实施例5制备胶凝材料制作的植生混凝土播种草种后的发芽生长情况；

图6为实施例6制备胶凝材料制作的植生混凝土播种草种后的发芽生长情况；

图7为实施例7制备胶凝材料制作的植生混凝土播种草种后的发芽生长情况；

图8为实施例8制备胶凝材料制作的植生混凝土播种草种后的发芽生长情况；

图9为实施例9制备胶凝材料制作的植生混凝土播种草种后的发芽生长情况。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。

本发明实施例得到的植生混凝土用低碱度胶凝材料的性能测试参照标准和

方法如下：

凝结时间参照GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行；

强度实验依据GB/T17671-2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行；

pH值按GB/T20472-2006《硫铝酸盐水泥》附录B低碱度硫铝酸盐水泥碱度测定方法进行；

在进行7天、28天长龄期pH值检验时，首先将试块破碎至大小规制的小颗粒（3-7mm），之后取10g样品浸泡到100g去离子水中2h，之后取上清液50g测试pH值。

实施例1

一种植生混凝土用低碱度胶凝材料的制备方法，包括如下步骤：首先将500g硫铝酸盐水泥、450g粒化高率矿渣、50g石膏搅拌混合均匀，然后加入60g硼酸、30g封碱剂、50g硫酸铝搅拌混合均匀得到所述植生混凝土用低碱度胶凝材料。

所述封碱剂为10g苯丙乳液、10g胶粉和10g 2-乙基己酸-3-烷氧-2-羟基丙酯的混合，所述2-乙基己酸-3-烷氧-2-羟基丙酯的制备方法为：

S1将30mL丙酮、200mL甲醇混合后加入0.3g氢氧化钠，加热至68℃，反应6h，反应完毕后，蒸馏得到3-烷氧-2-丙酮；

S2在氮气气氛下，将25g 2-乙基己酸与18g 3-烷氧-2-丙酮混合后加入5mL 30wt%盐酸水溶液，加热至80℃，反应3h，反应结束后蒸馏得到2-乙基己酸-3-烷氧-2-羟基丙酯。

经测试，本实施例得到的植生混凝土用低碱度胶凝材料的初凝时间为2.7小时，终凝时间为6.0小时，胶凝材料28天抗压强度为35.2MPa，2小时内、7天、28天pH值分别为7.45、8.68、8.83。

实施例2

一种植生混凝土用低碱度胶凝材料的制备方法，同实施例1相似，区别在于所述封碱剂为15g苯丙乳液和15g胶粉的混合物。

经测试，本实施例得到的植生混凝土用低碱度胶凝材料的初凝时间为2.6小时，终凝时间为5.7小时，胶凝材料28天抗压强度为33.4MPa，2小时内、7天、28天pH值分别为7.52、8.72、8.81。

实施例3

一种植生混凝土用低碱度胶凝材料的制备方法，同实施例1相似，区别在于所述封碱剂为20g苯丙乳液和10g胶粉的混合物。

经测试，本实施例得到的植生混凝土用低碱度胶凝材料的初凝时间为2.8小时，终凝时间为6.1小时，胶凝材料28天抗压强度为33.7MPa，2小时内、7天、28天pH值分别为7.43、8.62、8.77。

实施例4

一种植生混凝土用低碱度胶凝材料的制备方法，同实施例1相似，区别在于所述封碱剂为胶粉。

经测试，本实施例得到的植生混凝土用低碱度胶凝材料的初凝时间为2.7小时，终凝时间为6.0小时，胶凝材料28天抗压强度为28.2MPa，2小时内、7天、28天pH值分别为7.45、8.68、8.83。

实施例5

一种植生混凝土用低碱度胶凝材料的制备方法，同实施例1相似，区别在于所述封碱剂为苯丙乳液。

经测试，本实施例得到的植生混凝土用低碱度胶凝材料的初凝时间为2.9小时，终凝时间为6.0小时，胶凝材料28天抗压强度为25.9MPa，2小时内、7天、28天pH值分别为7.52、8.78、9.11。

实施例6

一种植生混凝土用低碱度胶凝材料的制备方法，同实施例1相似，区别在于所述封碱剂为22.5g苯丙乳液和7.5g胶粉的混合物。

经测试，本实施例得到的植生混凝土用低碱度胶凝材料的初凝时间为2.8小时，终凝时间为5.9小时，胶凝材料28天抗压强度为24.1MPa，2小时内、7天、28天pH值分别为7.55、8.76、9.16。

实施例7

一种植生混凝土用低碱度胶凝材料的制备方法，同实施例1相似，区别在于所述封碱剂为25g苯丙乳液和5g胶粉的混合物。

经测试，本实施例得到的植生混凝土用低碱度胶凝材料的初凝时间为2.4小时，终凝时间为5.7小时，胶凝材料28天抗压强度为28.3MPa，2小时内、7天、28天pH值分别为7.56、8.84、9.04。

实施例8

一种植生混凝土用低碱度胶凝材料的制备方法，同实施例1相似，区别在于所述封碱剂为10g苯丙乳液和20g胶粉的混合物。

经测试，本实施例得到的植生混凝土用低碱度胶凝材料的初凝时间为2.6小时，终凝时间为5.8小时，胶凝材料28天抗压强度为27.8MPa，2小时内、7天、28天pH值分别为7.58、8.79、9.09。

实施例9

取硫铝酸盐水泥100g作为植生混凝土胶凝材料。

经测试，本实施例得到的植生混凝土用低碱度胶凝材料的初凝时间为初凝时间为0.25小时，终凝时间为0.6小时，胶凝材料28天抗压强度为62.1 MPa，2小时内、7天、28天pH值分别为10.7、10.56、10.59。

从实施例9的实验结果可以看出当直接采用硫铝酸盐水泥作为植生混凝土胶凝材料时，虽具有较好的抗压强度，但其凝结时间过快，且内部的碱度过高，不利于植物草种的发芽。从实施例1-4的实验结果可以看出，本发明植生混凝土用胶凝材料能够有效降低基体内部的pH值，同时在该种情况下仍具有较好的力学性能，能够有效保证草中的发芽存活，以实现边坡的长效生态防护。

在具体的实施中表现出封碱剂只使用苯丙乳液或者苯丙乳液过多的话，前期会使得基体的pH值降低，但在后期随着基体内碱的浸出，会使得基体内pH逐渐增大。反之如果封碱剂只使用胶粉或胶粉含量过多的话，在前期成膜速度较慢，使得前期的pH增大，同时由于基体的pH值往往取决于水化前期，因此前期没有很好的封碱会使得基体的pH值变大。同时不论是使用苯丙乳液或者胶粉都会使得基体的力学性能有所下降，当使用量过多时，甚至会引起不凝或力学性能较差而无法施工能现象。

采用实施例1-9的胶凝材料作为植生混凝土胶凝材料使用，具体过程是将各个实施例的胶凝材料按照水灰比为0.25做成植生混凝土，放入试验箱中，试验箱中，底层放碎石，碎石上为土层，土层上铺土工布，然后土工布上为植生混凝土，在植生混凝土表面覆盖一层薄土，进行狗牙根草种种植，定期浇水，最终观察草种发芽、生长情况（根据狗牙根的生长规律，其在14天时开始发芽破土，因此在播种20天时记录拍照），结果如图1-9所示。可以看出，图1-图4试验箱中草种的发芽均匀，已经生长到一定高度。图5-图9中只有少量或极少量的草种发芽，这些草种发芽生长情况不能满足实际需求，无法在植生混凝土领域发挥作用。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。